（通信与信息系统专业论文）ieee+80211无线局域网点协调功能的优化设计与模型分析.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 i e e e8 0 2 1 l 无线局域网点协调功能的优化设计与模型分析 摘要 2 0 世纪8 0 年代以来，全球范围内移动无线通信得到了前所未有的发展，这 种发展的势头还在延续，甚至会更快。与此同时，i n t e r n e t 不论是技术还是业务 也以空前的速度向前发展。随着便携式微机、个人数字助理( p d a ) 等的普及， 人们对通过无线方式随时随地接入i n t e m e t 获取信息，产生了越来越迫切的需求， 这种需求从最初简单的收发e m a i l ，到进行网络浏览、获取多媒体信息及其他多 种服务。因此，把无线通信、计算机和i n t e m e t 结合起来为广大用户提供更丰富 的业务种类、更广泛的覆盖范围以及更快捷的接入方式，是未来通信系统所必须 具备的能力，也是未来通信技术和业务发展的一大趋势。 本文中提出了一种基于i e e e8 0 2 1 1 标准的改进方案，以改善无线局域网对 多媒体应用的支持。在i e e e8 0 2 1 1 中，支持多媒体应用的p c f 查询机制是通过 点协调器( p c ) 在基本服务区域( b s a ) 内对各移动站逐一的进行查询而实现 的，而移动站能否被成功查询将会直接影响到系统的q o s 。本文中提出的超级查 询帧( s u p e r p o l l ) 协议能够有效地提高移动站被成功查询的概率，其基本原理是： 点协调器( p c ) 在无竞争阶段( c f p ) 开始时广播一个超级查询帧( s u p e r p o l l ) 其中包含了在当前这个无竞争阶段( c f p ) 将被查询的所有移动站的列表， 移动站根据该列表来确定自己的传输时间，并且每个移动站在其发送的包后面附 加一个超级查询帧( s u p e r p o l l ) ，其中包含在随后的过程中将要被查询的移动站 的列表，这样使得后面的移动站能够有多次机会收到查询，从而降低了由于没有 收到查询而丧失了传输机会的概率。文章最后，我们通过计算该模型的信道效率 等参数给出了该模型的性能分析。我们发现在嘈杂环境中，相对于i e e e8 0 2 1 1 p c f 中使用逐一查询的方法，本文的方案有效地降低了移动站没有收到查询帧的 概率和包丢失的概率，因此能够更好地提供对多媒体应用的支持。 关键词：超级查询帧，无竞争阶段，无线局域网，i e e e 8 0 2 1 1 查! ! 查芏堡主! 堡垒查垒呈! ! 坠竺! o p t i m i z a t i o nd e s i g na n dm o d e la n a l y s eo f t h ep o i n tc o o r d i n a t o r f u n c t i o no fi e e e8 0 2 11w l a n a bs t r a c t s i n c et h e1 9 8 0 ，w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e e nw e l ld e v e l o p e d ， n o wt h i sd e v e l o p m e n ti s g o i n go n ，i fn o te v e nm o r e a tt h es a m et i m e ，b o t h t h et e c h n o l o g ya n dt h es e r v i c eo ft h ei n t e r n e ta r ep r o g r e s s i n g 。a l o n gw i t ht h e p e r m e a t i o no f t h em o b i l ec o m p u t e ra n dp d a ，t h ed e s i r eo fg e t t i n gi n f o r m a t i o n t h r o u g ht h ei n t e r n e ta ta n y t i m ea n da n y w h e r ei ss t r o n g e ra n ds t r o n g e r t h i s d e s i r ec h a n g e sf r o me x c h a n g i n ge - m a i lt og e t t i n gm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o na n d o t h e r s e r v i c e t h e r e f o r e ，t h e c o m b i n a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， c o m p u t e ra n di n t e r n e ti no r d e rt op r o v i d em o r ep l e n t i f u ls e r v i c e ，l a r g e rs c o p e a n dm o r ec o n v e n i e n ta c c e s s i st h e n e c e s s a r i l yc a p a b i l i t y o ft h ef u t u r e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，a n d a l s ot h et r e n do ft h et e c h n o l o g ya n ds e r v i c eo ft h e f u t u r e i nt h i sp a p e rw ep r o p o s ea ne n h a n c e m e n to ft h ei e e e8 0 2 11 s t a n d a r d t h a ti m p r o v et h ew l a ns u p p o r tf o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s i nt h e i e e e 8 0 2 11p c fp o l l i n gb a s e dp r o t o c o ld e s i g n e d f o rm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s s u p p o r t ，t h ep o i n tc o o r d i n a t o r ( p c ) p o l l se a c hs t a t i o ni n t h eb a s i cs e r v i c e a r e a ( b s a ) i n d i v i d u a l l y , a n dw h e t h e rt h es t a t i o nb es u c c e s s f u l l yp o l l e d w i l l d i r e c t l ya f f e c tt h es y s t e m sq o s i nt h ep r o p o s e ds u p e r p o l la p p r o a c ht h ep c b r o a d c a s t sa tt h eb e g i n n i n go ft h ec o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ( c f p ) as u p e r p o l l ，i t i sam e s s a g et h a ti n c l u d e st h el i s to fs t a t i o n st h a tw i l lb ep o l l e dd u r i n gt h e c u r r e n tp e r i o d w ep r o v i d ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n to f t h ep r o p o s e dm e t h o d i nt e r m so fc h a n n e le f f i c i e n c y ，e t c w en o t i c et h a tf o rn o i s yc h a n n e l s ，t h e p r o p o s e dm e t h o de f f e c t i v e l yd e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo f p o l ln o tr e c e i v e db y s t a t i o na n dt h ep a c k e td r o p p i n gp r o b a b i l i t y ，t h u sp r o v i d i n gb e t t e rs u p p o r tf o r m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：s u p e r p o l l ，c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ，w i r e l e s s l a n ，i e e e8 0 2 11 - i l i 东北大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是在老师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人鹕。j 司 吣7 o j 日 期：加口3 牟fz 司；口日 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 。1 无线局域网简介 1 11 无线局域网概述 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通俗点说，无线局 域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 就是在不采用传统电缆线的同时， 提供传统有线局域网的所有功能，网络所需的基础设施不需要再埋在地下或隐藏 在墙里，网络却能够随着实际需要移动或变化。 无线局域网技术具有传统有线局域网无法比拟的灵活性。无线局域网的通信 范围不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽，撮大传输范围可达到几十 公里。在有线局域网中，两个站点的距离在使用铜缆时被限制在5 0 0 米，即使采 用单模光纤也只能达到3 0 0 0 米，而无线局域网中两个站点间的距离目前可达到 5 0 公里，距离数公里的建筑物中的网络可以集成为同一个局域网。 此外，无线局域网的抗干扰性强、网络保密性好。对于有线局域网中的诸多 安全问题，在无线局域网中基本上可以避免。而且相对于有线网络，无线局域网 的组建、配置和维护较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。 1 1 2 无线局域网的传输媒体 无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩展和延伸。它 只是在有线局域网的基础上通过无线集线器、无线访问节点、无线网桥、无线网 卡等设备使无线通信得以实现。与有线网络一样，无线局域网同样也需要传送介 质。只是无线局域网采用的传输媒体不是双绞线或者光纤，而是红外线或者无线 电波，以后者使用居多。 红外线系统 红外线局域网采用小于1 微米波长的红外线作为传输媒体，有较强的方向 性，由于它采用低于可见光的部分频谱作为传输介质，使用不受无线电管理部门 的限制。红外信号要求视距传输，并且窃听困难，对邻近区域的类似系统也不会 产生干扰。在实际应用中，由于红外线具有很高的背景噪声，受日光、环境照明 等影响较大，一般要求的发射功率较高。 东北大学硕士学位论文第一章引言 无线电波 采用无线电波作为无线局域网的传输介质是目前应用最多的，这主要是因为 无线电波的覆盖范围较广，应用较广泛。使用扩频方式通信时，特别是直接序列 扩频调制方法因发射功率低于自然的背景噪声，具有很强的抗干扰抗噪声能力、 抗衰落能力。这一方面使通信非常安全，基本避免了通信信号的偷听和窃取，具 有很高的可用性。另一方面无线局域使用的频段主要是s 频段( 2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z ) ，这个频段也叫i s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c a l ) 即工业科学医疗频 段，该频段在美国不受美国联邦通信委员会的限制，属于工业自由辐射频段，不 会对人体健康造成伤害。所以无线电波成为无线局域网最常用的无线传输媒体。 1 1 3 无线网络采用的主要协议标准 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同 的应用。目前比较流行的有8 0 2 1 1 标准( 包括8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 及8 0 2 1 1 9 等 标准) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准以及h o m e r f ( 家庭网络) 标准等。 8 0 2 1 1 标准 i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。 8 0 2 1 1 标准除了介绍无线局域网的优点及各种不同性能外。还使得各种不同厂 商的无线产品得以互联。另外，标准使核心设备执行单芯片解决方案，降低了无 线局域网的造价。8 0 2 1 l 标准的颁布，使得无线局域网在各种有移动要求的环 境中被广泛接受。它是无线局域网目前最常用的传输协议，各个公司都有基于该 标准的无线网卡产品。不过由于8 0 2 1 1 速率最高只能达到2 m b p s ，在传输速率 上不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l a 两个 新标准，前者已经成为目前的主流标准，而后者也被很多厂商看好。 8 0 2 1l b 标准采用一种新的调制技术，使得传输速率能根据环境变化，它采 用2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为1 1 m b s ，无须直线传播。动态速 率转换当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b s 、2 m b s 和1 m b s 。 支持的范围是在室外为3 0 0 米，在办公环境中最长为1 0 0 米。8 0 2 1 1 b 使用与以 太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使 用。 8 0 2 1 1 a 标准是已在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用的 8 0 2 1 1 b 无线局域网标准的后续标准。8 0 2 1 1 a 标准的传输更惊人，传输速度可达 2 5 m b p s ，完全能满足语音、数据、图像等业务的需要。 随着无线i e e e8 0 2 1 1 标准开始深入人心，制造商开始寻求为以太网平台提 东北大学硕士学位论文第一章引言 供更为快速的协议和配置。而蓝牙产品和无线局域网( 8 0 2 1 l b ) 产品的逐步应 用，解决两种技术之问的干扰问题显得日益重要。为此，i e e e 成立了无线局域 网任务工作组，专门从事无线局域网8 0 2 1 l g 标准的制定，力图解决这一问题。 8 0 2 1 1 9 其实是一种混合标准，它既能适应传统的8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频率 下提供每秒1 1 m b i t s 数据传输率，也符合8 0 2 1 l a 标准在5 g h z 频率下提供 5 6 m b i t s 数据传输率。随着8 0 2 i l g 标准认可，它将有助于进一步推动8 0 2 1 1 无 线局域网飞速发展的势头。 蓝牙标准 蓝牙( i e e e8 0 2 1 5 ) 是一项新标准，对于8 0 2 1 1 来说，它的出现不是为了 竞争而是相互补充。“蓝牙”是一种极其先进的大容量近距离无线数字通信的技术 标准，其目标是实现最高数据传输速度1 m b p s ( 有效传输速率为7 2 1 k b p s ) 、最 大传输距离为1 0 厘米1 0 米，通过增加发射功率可达到1 0 0 米。蓝牙比8 0 2 1 1 更具移动性，比如，8 0 2 1 1 限制在办公室和校园内，而蓝牙却能把一个设备连接 到局域网和广域网，甚至支持全球漫游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更 多的设备。“蓝牙”最大的优势还在于，在更新网络骨干时，如果搭配“蓝牙”架构 进行，使用整体网路的成本肯定比铺设线缆低。 家庭网络的h o m e r f 标准 h o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e8 0 2 1 1 与数字无绳电话标准的结合， 旨在降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，能 同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的传输速率只有1 m 2 m b p s ， 美国联邦通信委员会建议增加到1 0 m b p s 。 1 。2 无线局域网的应用发展 在现阶段，中国市场上的无线局域网主要是应用于公众服务、企业内部网、 校园网、及地理位置较特殊的政府机构等领域，从发展趋势来看，随着产品价格 和技术方面日渐成熟，校园网对无线局域网应用会增长迅速，尤其是高等教育和 科研机构对无线局域网的需求不断增加，将为无线局域网创造广阔的空间a 像现 在北京大学校园就构建了校园无线局域网网络。另外，在政府内部，电子政务建 设正如火如荼，无线局域网在政府的网络建设中有非比寻常的机会。 目前，在国内，北京、上海、广州和深圳是无线局域网应用最为普及的城市。 在这些城市的酒店、宾馆、会展中心和机场等公众场所，已经成为运营商如中国 网通、中国电信公网铺设的重点场所。特别是上海，由于2 0 0 1 年a p e c 会议的 召开，其无线局域网的应用得到了突飞猛进的发展，现在已位居四城市之首。 东北大学硕士学位论文第一章引言 无线局域网虽然不能取代有线网络，但它有着传统网络无法比拟的优势，也 正是这样的优势，使无线局域网市场的增长是无庸置疑的。现在，不管是i t 传 统厂商还是新兴厂商都已经把无线局域网应用推广视为重中之重，今后，会有更 多的企业用户使用无线局域网，并且随着无线网卡成为笔记本电脑中的标准配置 这一事实，更多的入将会更加方便地使用无线局域网。 虽然i e e e 8 0 2 1 1 a 标准由于其高带宽被人们津津乐道，但从实际应用来看， 到现在为止，在国内8 0 2 儿b 仍然是无线局域网的主流标准，面市场中的无线局 域网产品大多还是基于8 0 2 1 l b 协议的。 1 3 课题内容及目标 作者通过对i e e e8 0 2 1 1 协议以及相关资料、文章的学习，针对p c f 阶段轮 循机制设计并实现了一种基于“链”原理的超级查询机制，通过理论及模型验证 了该机制能够有效地提高移动站被成功查询、数据包被成功传输的概率。 1 4 本文组织结构 本文详细介绍了作者对i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制子层的研究 以及对超级查询帧( s u p e r p o l l ) 的原理、实例的介绍和性能分析。第一章介绍 了无线局域网的应用发展状况以及现有的一些协议标准：第二章详细介绍了i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制子层的结构、功能及标准等；第三章详细介 绍了超级查询帧模型的设计背景、基本原理及实现实例；第四章对超级查询帧模 型进行了性能分析。 东北大学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问 控制( m a c ) 的研究 对于一个无线局域网而言，其网络容量不仅受到类似信道质量、信噪比以及 物理层差异性等诸多因素的影响，而且同介质访问控制协议也休戚相关。并且同 有线网络截然不同的是，无线网络中的信道经常会发生非常剧烈的变化，这一变 化肯定会直接导致出现不可预测的信道衰落和非常高的误码率( b e r ) ，而且更 为糟糕的是，无线网络中对邻近碰撞冲突判定能力的固有缺乏会导致误码率的进 一步增加。通常，这些误码和碰撞冲突将会带来开销高昂的数据包重传。所有这 些都表明，无线局域网的网络容量在很大程度上取决于网络中的误码和数据分组 的重传。在这种情况下，m a c 协议将对提升整个无线局域网的网络容量起到相 当关键的作用。 除了上面提到的利用m a c 协议来达到提升网络容量目的之外，m a c 协议 还在底层( 物理层) 和上层( 网络层) 之间充当数据传递翻译的作用。这种功能 表面上可能被忽视并且不被认为特别重要，但实际上它却是系统所需功能中不可 缺少的一个方面。m a c 协议通过在运行于i e e e8 0 2 1 1 移动站上的通信过程引 入结构和协议来提供这种翻译功能。如果没有m a c 协议层功能，物理层能确定 的仅仅是怎样通过无线接口来完成单个比特信息的交互。m a c 协议就本质而言， 实际上是建立在物理传输层之上的为原始信息( 比特或者字节信息) 的交互而建 立的语法、句法逻辑实体结构。事实上，如果不具备m a c 协议，一个无线局域 网将被视为是不完备的。具体建立m a c 协议的过程是同下层物理层息息相关的， 并且需要特殊的技术和方法。而一旦具备m a c 协议，它将我们从只具有林林总 总的均衡器、编解码器的物理层带到一个具备协议、规则和非线性状态机的 m a c 层中。 2 1m a c 概述 m a c 可以被视为是一个同物理层紧密相关的用以实现可靠、高效数据通信 的引擎装置。从功能层面上来看，m a c 可被视为由一系列可完成诸如信息交换、 功率控制、关联管理、同步管理和过程管理的服务组成。这些所有的m a c 功能 都是通过定义适当的m a c 帧并对这些m a c 帧进行交换来实现的。每个特定的 东北大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 m a c 帧都包含很多比特位，这些比特位组合起来不仅能准确确定出所有m a c 帧，并且还能确定出这个m a c 帧所起的作用。m a c 帧具备不同类型的帧结构， 这些类型包括数据类型帧、控制类型帧和管理类型帧。一般而言，数据类型的 m a c 帧是散布于控制m a c 帧和管理类型m a c 帧之中的。控制类型的m a c 帧可以终止数据交换过程，而管理类型m a c 帧则能提供管理方面的支持作用。 因此m a c 又被视为在站之间通过交换恰当定义的帧格式来达到为网络提供虚拟 数据和管理服务的目的。最后，为了能及时地为网络提供动态的状态数据，m a c 协议使用被称为管理信息库( m i b ) 的数据结构来存储网络信息。经过上面的分 析，我们可以把m a c 层分解为下面三个基本组件( m a c 服务是通过交换被存 储于m i b 中的m a c 帧来实现的) ： 1 。m a c 服务 2 m a c 帧 3 m a c 信息管理 至 三匠 ff 匝田匝田田卫 m a c 数据和控制帧m a c 管理帧 图2 1 这里表示了m a c 服务、m a c 帧和m a c 管理信息库之间的关系 f i g u r e2 1 t h er e l a t i o n s h i po f m a cs e r v i c e ，m a cf r a m e a n dm a c m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nl i b m a c 服务 术语“m a c 服务”般是指，在协议栈中m a c 层为其他层提供的服务或 者是m a c 层提供的用以维护网络正常操作的功能。m a c 协议被设计为必须要 提供几种基本服务，而这些服务都可以使用m a c 数据服务和m a c 管理服务来 6 一 东北大学硕士学位论文第二章i e e b8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 进行区分。对于无线局域网而言，它主要的目的在于为站( 既包括同步方式也包 括异步方式) 提供有效的数据通信。其中，异步数据通信的作用还包括当网络出 现信道竞争时，按照预先确定好的协议来为各个不同的用户分配信道。相比之下， 同步通信则经常应用于无竞争环境中。因此，无线局域网的相关m a c 功能就被 设计为m a c 数据服务。 m a c 协议还为实现终端之间的相互通信提供了其他一些管理功能。这些管 理功能的范围不局限于简单的过程管理、功率管理和同步控制管理等等。会话管 理具体指的是当一个网络终端试图接入网络时进行的诸如登记活动、地址过滤、 私密消息保护等方面的内容。另一方面对功率管理而言，由于下述两个原因的出 现会使其本身变得愈发重要。第一个原因在于，通过功率管理可以延长移动设备 中电池寿命，这一点对于无线局域网设备而言非常重要。另外一点是因为有的无 线局域网中可能会存在非常高的功率峰值平均比，而这就意味着功率管理在这种 无线局域网中更加重要。这是因为对一个高功率峰值比的系统而言，为保证系统 正常运行，就不得不让系统运行于更低的功率水平，这就必然会降低数据传输的 可靠性。因此为满足可能的数据重传而进行功率预留就非常必要了。另外，对无 线网络而言，由于其使用的接口是空气本身，因此在无线网络中的私密保护就和 在有线系统中的私密保护大相径庭。在无线网络中，通常要求要对m a c 地址进 行加密处理，这一点也属m a c 管理功能之一。最后，多个基站之间m a c 时钟 的同步也是非常重要的。这一点同在网络层中必须要求保证发射机和接受机之间 同步的道理是一致的。 m a c 帧 m a c 帧是构成m a c 协议和保证有效数据通信的基础。在m a c 协议中，一 共存在三种类型的m a c 帧，它们分别是数据帧、控制帧和管理帧。后面两种帧 的作用在于提供站之间平滑有效的数据交互。在每一种m a c 帧下面存在着m a c 子帧。每一种m a c 子帧都是为了完成一种特定目的并且都使用本身内部的一些 特定比特位来标识自己。 m a c 信息管理 为了反映具体系统如移动站的状态，m a c 层需要对一些重要变量进行跟踪。 对移动站和接入点a p 而言，它们所关心的信息是不一样的a 把网络中这些相关 信息存储起来就形成了m a c 的管理信息库，简称m i b 。在实际中，物理层和 东北大学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 m a c 层都有自己独立的m i b 。m a c 和m i b 是由两个属性构成的。它们中的 些( 站管理属性) 能对m a c 的操作进行配置并且有助于站管理的进行，另外 些( m a c 属性) 能对m a c 性能进行测量并且能对它们进行调整以达到希望的 目标。m i b 中的一些属性值可以被位于站m a c 或者是a p m a c 之外的代理所 探知和决定。 2 2m a c 系统结构 在详细讨论m a c 服务的相关协议前。我们有必要来具体讨论一下属于m a c 层的一些结构方面的细节问题。而从结构的观点出发，一个无线局域网可以被配 置为基本服务组或者也能被配置为扩展服务组。由多个被配置为基本服务组的潜 在可重叠无线局域网就可以构成一个扩展服务组。 基本服务组 通常配置的无线局域网都具有三个组成部分：站、接入点( a p ) 和无线介质。 一系列互相通信的站就形成了基本服务组( b s s ) 。一个简单的b s s 是不具备接 入点a p 的，这种b s s 中的站都是不通过a p 转接而直接同其余站通信。这种如 图2 2 所示的i e e e8 0 2 1 1 无线局域网配置通常被称为独立b s s ( i d b s s ) 。 图2 2 一个b s s 是i e e e 无线局域网能存在的最简单配置， 在这种情况下多个不同的站之间能够直接通信 f i g u r e2 2t h es i m p l e s tc o n f i g u mo f t h ei e e ew l a n i so n eb s s ， i nt h i si n s t a n c e ，s t a t i o n sc o u l dc o m m u n i c a t ed i r e c t l y 一般这种独立b s s 都会受到距离范围的限制。例如，两个站为了能进行直接 通信，那么它们必须处于对方的通信范围之内。出现这种情况的原因也是由于在 8 ， 东北大学硕士学位论文第二章i b 腿8 0 2 1 1 无线局域网的介，贡访问控制( m a c ) 的研究 独立b s s 中多个站之间的通信是不通过a p 转接传递而造成的。如果b s s 系统 边的较为复杂，并且站之间的通信要通过a p 的转接作用，那么这种情况就称为 构造b s s ( i g b s s ) 了。在i g b s s 中a p 完成b s s 内部的数据交换作用( 通过 对数据分组的转接) ，并且同时还担当起同其他b s s 通信时的通道作用。 和独立b s s 相对应的是，现实中有多种希望用a p 构造b s s 系统的原因。 同独立b s s 相比较，构造b s s 系统是通向更大规模、更长寿命无线系统的必由 之路。这些变化都是由于a p 的引入而带来的。a p 的引入使得无竞争模式操作 成为可能。而这种无竞争模式操作又正是能提供站间延迟敏感性服务和实时性数 据服务的基础。实时性服务由于其业务本身的特点决定了其必须具备确有保障的 服务质量( q o s ) 。通过引入a p 并让a p 来负责介质访问控制和协调通过a p 的 各种业务流量的方法，我们就可以在建立无线局域网时轻松实现高质量q o s 。除 了能提高q o s 之外，a p 的到来还能让移动站工作于节省功率模式下并能显著延 长小型移动站中电池的寿命时间。另外在通常情况下，a p 的配置都比一般站要 好，因此a p 还能担当多个站之间数据协调的作用。也就是a p 能够对从多个站 传来的数据进行存储，并且能在适当的时候把这些存储的数据发送到合适的站中 去。这种协调机制带来一个很明显的好处就是能使大多数站工作在节省功率模式 下，这些站仅仅在设定好的要接收从a p 方面来的数据时间内才满负荷工作。这 样带来的直接好处就是延长了典型w l a n 用户的电池寿命时间。 扩展服务组 随着移动网络覆盖规模的扩大，确定其他移动设备的困难程度也在不断增 加。现实中解决这一问题的方法是让多个相互邻接的b s s 通过骨干网络来互相 通信。这种互相关联的b s s 被称为扩展服务组( e s s ) ，而相对应的这种骨干网 络也被称为分布式系统( d s ) 。如图2 r 3 中所表示的扩展服务组可能会出现多个 b s s 相互交叠的状况，为解决互相交叠带来的干扰，现阶段系统中让各个相邻的 b s s 工作于不同频率上。 在扩展服务组e s s 模式中，多个b s s 是通过接入点a p 来相互连接的。a p 充当了b s s 连接接口的角色，它对输入信号完成过滤作用，对输出信号完成传 送作用。这里我们假定所有的a p 都处于相同的一个子网中，并且a p 可以在不 同的b s s 之间进行漫游而保持连接并不中断。当使用a p 并把一个站设定为构造 模式时，每一个站都要确定一个和自己相关联的a p 。站选择a p 的原则是选取 那个同站之间有最强信号的a p 。此外，每个a p 都有设定好的标记即e s s 标识 符( e s s i d ) 。这个e s s i d 就代表了同这个a p 相关联的子网。每个a p 都必须要 东北大学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 1 l 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 很好地设定其工作频率以使得他们之间不会产生频率交叠并且干涉最小。最后值 得指出的是，当工作在构造模式时，每一个站都只和它相关的a p 进行通信。 e s s 中的每个组件都使用介质访问协议标准中定义好的异步通信协议机制 来进行通信。另外这里为兼顾解决可能的同步通信问题采用了一种折中方法。这 种方法是由每个b s s 系统中的a p 来询问和它相关联的站是否有数据要求传递。 图2 3 一个扩展服务组是由多个b s s 通过分布式系统相互联接起来的， 这个分布式系统可以是有线的也可以是无线的。 f i g u r e2 3a ne s si sm a d eo f m a n yb s sb yc o m l e c t i o no f d i s t r i b u t e ds y s t e m ， w h i c hm a y b ew i r e do rw i r e l e s s e d 这种方法能以一种非实时性的方法来实现诸如话音通信一类的有实时性和 固定速率要求的业务。对每个e s s 而言，是由它下面的a p 来具体负担起从一个 b s s 向另外一个b s s 发送消息并且具体实现相邻b s s 站间的移动通信功能。 这也从另一方面说明了为什么m a c 层会要求所有的工作在这种情况下的b s s 都必须设定为构造b s s 。这种情况下，e s s 要求涵盖所有的构造b s s ，并且e s s 中的分布式系统可以是有线的也可以是无线的。最后，怎样在b s s 的建立和维 持过程中来保证上述的这些结构要求得以实施就是i e e em a c 的任务所在了。 东北大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 2 3m a c 帧格式 对i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议丽言，它所需完成的最基本功能是在两个或者多个 无线局域网之间利用物理层提供的功能进行信息交互。f t p 程序应用就是这种功 能的一个典型例子。这里f t p 是作为一种具体应用而存在，它把所需传递的文 件分为很多小的单位，这些单位就被称为m a c 数据服务单元( m s d u s ) 。m a c 层在接收到这些m a c 数据服务单元之后对其添加帧头和尾部标识以形成m a c 协议数据单元( m p d u s ) 。在m a c 层形成m a c 协议数据单元后，可以利用物 理层传送功能来进行传递。从m a c 帧的角度出发，可以简单地把m p d u 认为 是所谓的数据帧。 通过对添加了帧头和标识的数据帧进行交换就能保证能以一种很有意义的 方法在基站之间进行原始信息交流。但是，如果仅仅只有m a c 数据帧而不具备 另外两种类型的m a c 帧，那么m a c 层也是极端不完整的。这另外两种类型的 m a c 帧就是m a c 控制帧和m a c 管理帧。m a c 控制帧主要完成在数据帧交换 过程中的握手处理和定时处理。而另外一方面，m a c 管理帧则主要完成通信实 体之间的登记管理过程。总而言之，m a c 控制帧和m a c 管理帧联合起来一起 协助完成数据帧的有效和可靠传递。 对于每种类型的m a c 帧，不论是m a c 数据帧还是m a c 管理帧抑或是m a c 控制帧，它们都是由一组特定的比特域加上特定的帧头和尾部构成的。我们将在 后面的部分中进一步详细阐述m a c 帧的细节问题。 i e e e8 0 2 1 1 帧格式 通用的i e e e8 0 2 1 1 帧格式如图2 4 所示。在设计一种具体帧格式的时候， 必须要兼顾效率和功能这两方面的平衡。下面将要介绍的i e e e8 0 2 1 1 帧格式可 以说是综合考虑这两方面后得出的一个很好范例。 图2 4i e e e8 0 2 1 1m a c 帧的通用结构 f i g u r e2 , 4t h eg e n e r a lc o n f i g u r a t i o no f t h em a c f r a m ei ni e e e8 0 2 11 一个m a c 帧是以一个m a c 帧头开始的。一个m a c 帧的帧头包括一个帧 控制域、一个持续时间i d 域、三个表示帧顺序信息的地址信息域以及紧接着的 - 1 1 - 东北大学硕士学位论文 第二章i b 髓80 2 1 1 无线局域网的介质访i o 1 控制( m a c ) 的研究 第四个地址域。看起来一个m a c 帧的帧头比较长，但实际上并不是所有的m a c 帧都会用到上述所有的域。在m a c 帧的帧头后面的是m a c 帧主体，这部分是 用来承载从上层协议中传递下来的m a c 数据单元。m a c 帧的最后部分是帧校 验序列。在紧接着的下面部分中，我们将对上面的三个组成部分进行详细说明。 m a c 帧头 下面部分描述了构成m a c 帧头的各个域。 帧控制域： m a c 帧控制域是一个包含用以说明m a c 帧头中所有后续域的信息的1 6 位 比特组。m a c 帧控制域包括协议版本、帧类型和子类型、d s 目的地址、d s 源 端地址、更多片段标识符、重试标识符、功率管理标识符、更多数据标识符、有 线等效保密( w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ：w e p ) 标识符以及顺序标识符。这些域包 括一些非常重要的子域类型。 通过这些子域可以决定帧的类型、子类型、本帧是否经过加密处理、本帧是 否为一系列帧中的最后一个以及它是否是由一个b s s 发出。具体如图2 5 所示。 图2 5 本图表示了m a c 控制帧中的不同域。 f i g u r e2 5t h i sf i g u r es h o w st h ed i f f e r e n tf i e l d so f t h em a cc o n t r o lf 2 a m e 协议版本子域 m a c 帧的协议版本子域的长度为两个比特。使用协议版本子域可以表示 当前用来构成i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议的版本号。通过检查这个子域标识符，站 可以确定其本身是否可以正确理解远端传递过来的m a c 帧。 帧类型子域和子类型子域 m a c 帧的帧类型子域和子类型子域表示了m a c 帧的功能并确定了本帧 中是否还会出现其他类型m a c 帧。一共存在三种类型的m a c 帧，它们分别 是控制、数据和管理类型。第四种类型通常被保留下来。在每一种m a c 帧类 型中都存在多种子类型。 d s 目的端子域和d s 源端子域 d s 目的端子域只占有一个比特位。d s 目的端子域只出现在m a c 数据帧 中，如果这一项为l 就表示自身是分布式系统的目的地址。同样d s 源端子域 也仅占用一个比特位，也仅仅出现在m a c 数据帧中，如果这一项为1 就表示 东北大学硕士学位论文第二章i e e e80 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 其本身是分布式系统的源端地址。当这两项都为0 的时候就表示这个m a c 帧 是存在于两个直接通信的移动站之间的。相反，如果这两项都为1 ，那这代表 一种非常特殊的情况，这表明这个i e e e8 0 2 1 1 无线局域网在这里承担的是分 布式系统的作用。表2 1 中总结了有关d s 目的端子域和d s 源端子域的所有 细节问题。 表2 1 地址域功能 l i s t2 。1f u n c t i o no f a d d r e s sf i e l d s 多片段子域 多片段子域占据的是一个比特位。这个子域为1 表明的是本片段不是m a c 数据帧或者已分段的m a c 管理帧中的最后一个片段。 重试子域 重试子域占据的也是一个比特位。这个重试予域具体表示一个数据帧或者 管理帧是第一次发送还是重复发送。m a c 帧的接收方利用这个子域标识位和 序列号子域标识位来确定接收到的帧是否为重复发送的m a c 帧。 功率管理子域 功率管理子域也占据一个比特位。一个移动站用这个功率管理子域来表示 其本身的功率管理状态。这个子域具体值的不同就代表了移动站在成功进行了 一个m a c 帧交换后将会进入的功率状态。如果功率管理子域值为0 ，那就表 示站在m a c 帧交换完成之后仍然保持活跃状态，这时可以进行下一个m a c 帧的交换动作：而如果这个值为1 ，那就表示站在进行完m a c 帧交换后会处 于功率管理状态，这时不能立刻进行下一个m a c 帧的交换动作。 多数据子域 多数据子域也占据一个比特位。a p 使用这个子域来向移动基站表示在a p 中是否有缓存数据的存在。如果为l ，那就表示确实有缓存数据的存在，反之 亦然。在多播帧情况中，a p 可通过设定这个子域为1 来表示在本a p 中还有 多个缓存广播帧的存在。 w e p 子域 w e p 子域也占据一个比特位。当这个w e p 子域设定为1 ，那就表示这个 m a c 帧的主体部分已经经过w e p 算法加密了。值得注意的是，这个子域仅仅 东北大学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的介质访问控制( m a c ) 的研究 在数据帧和管理帧的子类型确认中才能被设定为1 。在其他的帧类型和子类型 中都将被设定为0 。 顺序子域 顺序子域也占据一个比特位。当这个子域被设定为1 ，那就表明这个数据 帧的主体部分是为响应一个特殊m a c 请求的。这个m a c 请求的特殊之处在 于其必须要满足严格的顺序要求。为满足这种服务请求，必须要把顺序子域的 信息传递到a p 和d s 中去。 持续时间i d 域： 持续时间i d 域的长度为1 6 个比特位。这个域的具体值包含了为更新n a v 或者是一个称为关联i d ( a i d ) 的短i d 的信息。移动站使用这种关联i d 来从 a p 中重新获得其缓存的数据。因为与性能相关的原因，a i d 的最大值被设定为 2 0 0 7 ，任何大于2 0 0 7 的值都被保留起来。当持续时间i d 域的第1 5 位比特被设 定为0 时，它下面的从1 4 位到0 位的比特位就表示一个帧交换还剩下的持续时 间。这个值可以被用来减少虚拟通道的碰撞概率。 另外，在c f p 传递的所有帧中，持续时间i d 域都被设定为3 27 6 8 ( 即第1 5 位比特为l